Os primeiros processadores quânticos que usam átomos neutros como qubits foram produzidos independentemente por dois grupos baseados nos EUA. O resultado é um marco porque os computadores quânticos atômicos podem ser mais fáceis de escalar do que dispositivos baseados em circuitos supercondutores ou íons presos – as duas tecnologias que dominaram até agora.
Os primeiros qubits foram demonstrados em 1995 em íons presos por David Wineland, Chris Monroe e colegas do NIST em Boulder, Colorado, EUA. Mais recentemente, empresas como Google e IBM produziram computadores usando qubits supercondutores de estado sólido, com o processador IBM Eagle de 127 qubits atualmente considerado o mais poderoso. No entanto, à medida que os computadores quânticos cresceram cada vez mais, essa plataforma encontrou problemas. Qubits supercondutores devem ser construídos individualmente, tornando quase impossível fabricar cópias idênticas. Isso compromete a “fidelidade do portão” (a probabilidade da saída estar correta). Além disso, cada qubit deve ser resfriado próximo ao zero absoluto – uma tarefa que se torna cada vez mais difícil à medida que o número de qubits aumenta.
Outras empresas – incluindo a própria start-up de Monroe, IonQ – se voltaram para íons presos como alternativa. Em setembro de 2020, a gigante industrial Honeywell anunciou que seu computador de íons aprisionados havia alcançado um “volume quântico” recorde – uma medida das capacidades e taxas de erro do computador. Os computadores de íons aprisionados têm a vantagem de que cada íon é garantido como indistinguível pelas leis da mecânica quântica, enquanto os íons no vácuo são relativamente fáceis de isolar do ruído térmico. O problema é que “os íons estão interagindo fortemente e você precisa movê-los com campos elétricos”, diz Dolev Bluvstein, da Universidade de Harvard, nos EUA. “Isso é muito difícil na prática.”
Em 2016, Mikhail Lukin de Harvard, juntamente com colegas do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e, de forma independente, pesquisadores do Institut d’Optique em Paris, revelaram ainda uma terceira plataforma, armazenando informações quânticas em átomos neutros que eles manipulavam usando pinças ópticas. Ao usar um laser para excitar os átomos para um estado Rydberg altamente ionizado, os pesquisadores foram capazes de enredá-los com outros átomos, permitindo que as operações do portão fossem realizadas antes que a saída do portão fosse armazenada de forma estável mais uma vez. No entanto, ninguém demonstrou anteriormente um circuito quântico completo usando átomos neutros.
Estados hiperfinos
Na pesquisa mais recente, ambas as equipes armazenaram informações quânticas nos estados hiperfinos dos átomos alcalinos: rubídio para Bluvstein e colegas liderados por Lukin e césio para uma equipe liderada por Mark Saffman, da Universidade de Wisconsin-Madison, juntamente com cientistas da área quântica. empresas ColdQuanta e Riverlane. Bluvstein explica que esses estados hiperfinos têm várias vantagens. “Se você tem dois átomos em um estado hiperfino um ao lado do outro, porque eles são tão robustos que não fazem nada”, diz ele. “Então, se queremos emaranhar dois átomos sob demanda, tentamos simultaneamente excitar os dois para o estado de Rydberg. Esses estados de Rydberg são enormes e interagem muito fortemente, e isso nos permite emaranhar os átomos muito rapidamente. Agora voltamos ao estado hiperfino, são e salvo, onde os átomos emaranhados são robustos à pinça óptica.”
O grupo Harvard-MIT usou essa robustez para separar fisicamente os átomos emaranhados sem causar a descoerência (ou seja, a perda de suas informações quânticas). Quando cada átomo chega ao seu destino, outro pulso do laser o envolve com o próximo átomo. Isso permite que o grupo execute operações de portas quânticas não locais sem precisar de links fotônicos ou atômicos para mover o emaranhamento pelo circuito.
Os pesquisadores usaram esse protocolo para executar vários programas. Notavelmente, eles prepararam um “qubit lógico” composto de sete qubits físicos que poderiam codificar informações de maneira resistente a erros. Bluvstein observa que entrelaçar vários qubits lógicos seria muito mais simples no sistema de sua equipe do que em alternativas que usam qubits estáticos. “Existem muitos truques diferentes chamados cirurgia de trança ou treliça que as pessoas trabalham para emaranhar qubits lógicos”, explica ele, “mas uma vez que você tem o movimento dos átomos e pode entrelaçá-los, é muito simples: tudo o que você precisa fazer é fazer dois deles independentemente, mover cada grupo de qubits, entrelaçá-lo com o outro grupo, pulsar o laser Rydberg uma vez e fazer um portão entre eles.” Essa flexibilidade, diz Bluvstein, deve permitir que os pesquisadores realizem a correção de erros quânticos e o emaranhamento entre qubits lógicos “de uma maneira que simplesmente não é possível com qubits supercondutores ou íons presos”.
Controle de precisão
O grupo de Wisconsin tomou um rumo diferente. Em vez de mover fisicamente seus átomos, eles usaram luz laser controlada com precisão para manipular as excitações de Rydberg dos átomos e transferir o emaranhamento ao redor da rede. “Imagine que você tenha três qubits em uma linha”, explica Saffman. “Vou pegar dois pontos de raio laser e iluminar o mais à esquerda e o centro. Eles ficam empolgados com o estado de Rydberg, interagem, ficam emaranhados”. O próximo passo, continua Saffman, é mover os feixes de laser para iluminar o átomo central e o direito que estava anteriormente inativo e excitar ambos ao estado de Rydberg. Desta forma, ele conclui, “os feixes de laser estão controlando as operações do portão, mas os mecanismos de ligação reais são as interações atômicas de Rydberg”.
O grupo de Saffman demonstrou o poder de seu esquema produzindo estados de seis átomos conhecidos como estados de Greenberger-Horne-Zeilinger, que às vezes são chamados de estados do gato de Schrödinger porque têm as correlações não locais mais fortes possíveis de todos os estados quânticos de várias partículas. A equipe de Wisconsin também mostrou que seu sistema poderia atuar como um simulador quântico, realizando vários problemas de estimativa de fase quântica, como estimar a energia de uma molécula de hidrogênio.
Ao manter os átomos estáticos, a equipe de Wisconsin alcançou uma velocidade de clock várias centenas de vezes mais rápida do que o grupo Harvard-MIT, embora com alguma perda de flexibilidade. “Em última análise, acho que essas duas abordagens podem ser combinadas em um sistema único e mais poderoso, mas agora são dois exemplos fascinantes da multiplicidade de abordagens que se pode adotar”, diz Saffman.
Hannah Williams, física atômica da Universidade de Durham, no Reino Unido, que não esteve envolvida na pesquisa, diz que ambos os grupos mostraram “a capacidade da plataforma e sua promessa para a computação quântica, demonstrando algoritmos quânticos icônicos, seja correção de erros ou fase estimativa”. No entanto, ela adverte que as fidelidades do portão precisam ser melhoradas e o número de átomos aumentado antes que o sistema seja realmente competitivo. “O ponto de venda dos sistemas atômicos neutros é sempre que eles devem ser realmente fáceis de dimensionar, e as demonstrações foram no máximo 24 qubits”, diz ela.
Monroe concorda, acrescentando que acredita que os dois desafios estão conectados. “Realmente não importa quantos qubits você tem”, diz ele. “Se você puder executar apenas com 95% de fidelidade, poderá vincular apenas 20 ou mais operações.” Ele também observa que as fidelidades de portão em sistemas atômicos são atualmente muito baixas para se beneficiar do código de correção de erro quântico demonstrado pelo grupo de Lukin. No entanto, ele diz que os grupos estão “fazendo a coisa certa”, acrescentando que os qubits atômicos têm o potencial de atingir 99,9% de fidelidade sem correção de erros. “Já estamos fazendo isso com íons presos e, embora os neutros estejam atrasados, não tenho dúvidas de que eles chegarão lá e se beneficiarão desses códigos muito eficientes”, conclui Monroe.
Publicado em 01/05/2022 22h00
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